日本尿检癌变筛查取得技术性突破--已进入实证试验阶段

生命科学 2018年04月25日

日立制作所2018年4月16日宣布自本月起开展为期6个月的利用尿液检查癌症的临床实证试验。

实证试验期间计划对一系列解析指标进行反复验证,包括但不限于临床尿样采集与临床信息记录、尿样运送中的温度追踪与时间管控、基于液相色谱/质谱(LC/MS)的生物标记物(biomarkers)定量分析、癌变检查模型的构建、基于所构建模型的癌变风险评估,以及最初临床信息与最终评估结果间的有效性论证等(图1)。其中液相色谱/质谱分析由合同研发外包组织CMIC Pharma Science Co., Ltd. (CPhS)公司负责实施,解析数据评价部分则由名古屋大学医学部附属病院协助完成。

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图1 利用尿液检查癌症的实证临床试验流程图

目前日本少子高龄化问题严重,包括医疗费在内的社会保障费激增也成为越来越严重的社会问题。其中单肿瘤相关经济损失(包括肿瘤诊疗直接花销以及早逝导致社会劳动价值损失等间接费用)就高达10万亿日元之多。日本厚生劳动省在2017年度内阁会议生效的《第三期促进肿瘤防治基本计划》中提出,大力推进提高肿瘤检查的受诊率,争取早发现、早治疗。因此,单纯提高传统诊断方法的精准度还不够,还必须有一种可以尽可能早期发现确诊肿瘤的简便、精准的全新检查方法。

早前由名古屋大学院工学研究科、九州大学先导物质化学研究所以及国立肿瘤研究中心的研究团队,发明了一种仅通过1毫升尿液即可检查出肺癌、前列腺癌等肿瘤病变的新技术,研究成果已在线发表于2017年12月15日的《Science Advances》上[1]。该新技术通过检测癌症患者的尿液样本,发现了某些特定miRNAs(microRNAs)数量的增减。miRNAs是一类广泛存在于胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)--包括外泌体(exosomes)、微囊泡/微粒(microvesicles, MVs / microparticles, MPs)、凋亡小体(apoptotic bodies)等--中的参与胞间通讯和机体调节的重要信使。得益于胞外囊泡中天然的抗核糖核酸降解酶的微环境,使得囊泡内的miRNAs较体液内游离的RNAs结构更稳定、序列更保真、携带的信息更具说服力,所以近年来越来越引起更多研究者的关注。

分析胞外囊泡中的miRNAs是实现基于miRNA的简单、及时、高效的非侵入性健康体检及早期疾病诊断的重要手段。然而如何富集尿液中的痕量胞外囊泡的难题一直局限着整个诊断检查手段的发展。传统上胞外囊泡的富集方法主要有三大类:超速离心或者差速离心,免疫亲和层析,以及分子筛层析,但都难以满足临床诊断和检查的要求。

来自名古屋大学的上述研究者团队提出一种新型分离设备,新设备主要由锚入流体介质的纳米电丝组成,可以实现胞外囊泡的高效富集和内含miRNAs的原位分离。一次性提取的miRNAs不同序列高达1000多种,远远超出了采用传统分离方法提取的数量。该设备的关键机制是利用了纳米电丝的机械稳定性以及对胞外囊泡的静电吸附。通过该新方法,不仅从尿液miRNAs中成功鉴定出膀胱癌、前列腺癌等生殖泌尿系统癌变的生物标记物,而且也包括肺癌、胰腺癌、肝癌等非泌尿系统癌变的潜在生物标记物(图2)。

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图2 纳米电丝介导的尿液EVs静电富集及miRNAs原位提取示意图

日立则早在四年前即着手开展利用尿液代谢物来筛查肿瘤的相关研究,并在2016年6月首次成功将来自健康者和癌症患者的尿样区分开来。当时日立联合住商医药国际及住友商事一同开发尿检肿瘤识别技术。首先从尿样中检测出的1300多种糖类/脂类等代谢产物中,挑选出10个左右能够标识出肿瘤患者样本的潜在生物标记物。然后通过这些特定生物标记物在不同个体样本中丰度的差异,成功区分开来自健康受试者和癌症患者的尿样(图3)。

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图3 来自健康受试者、乳腺癌和大肠癌患者的尿样识别结果

但是,在向临床实践转化时,如何高效地鉴定出通过微量丰度变化来区分健康与病患的潜在生物标记物却遇到了挑战。因此,日立又重新建立了一套新的肿瘤筛查模式,借力人工智能(AI)有效地鉴定出尿液代谢物中的潜在生物标记物,并设计了本次实证试验流程。

首先,尿液中存在的数千种代谢产物中,液相色谱/质谱可以高精度测定2000种左右。日立借助威尔科克森秩和检验(Wilcoxon Rank Sum Test)等统计学处理和随机森林法(Random Forests)等机器学习,成功将潜在生物标记物压缩至两位数,然后通过分析临床诊疗信息和代谢途径等生化手段,最终锁定几个潜在生物标记物。

其次,日立专门开发了一套实证试验用样本IT管理系统,监管尿样采集时间、采集地点、容器状态、运输温度等状况,通过用智能手机拍摄携带位置信息的样本图片、1回/分钟自动发送GPS和温控信息的专用快递盒等来实现管理。

定于2018年4月-2018年9月的世界上首次通过尿检来筛查肿瘤的实证试验,一旦数据喜人,必将带来体外诊断领域的革命性进步。

供稿 宋杰
编辑修改 客观日本编辑部

关于作者:
宋杰,东京大学分子医学博士在读。曾任GenScript Biotech Corp. (港交所HKG: 1548)全球商务运营经理,WuXi AppTec Co., Ltd. (纳斯达克NYSE:WX)临床部资深商务经理。

参考文献:
1.T. Yasui, T. Yanagida, S. Ito, Y. Konakade, D. Takeshita, T. Naganawa, K. Nagashima, T. Shimada, N. Kaji, Y. Nakamura, I. A. Thiodorus, Y. He, S. Rahong, M. Kanai, H. Yukawa, T. Ochiya, T. Kawai, Y. Baba, Unveiling massive numbers of cancer-related urinary-microRNA candidates via nanowires. Sci. Adv. 3, e1701133 (2017).

相关链接:
利用尿样检查癌变的实证试验开始(日文)[网址]
尿液代谢物综合分析成功区分来自健康受试者、乳腺癌和大肠癌患者的样本(日文)[网址]
通过尿液中miRNAs成功鉴定出癌变(日文)[PDF]

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